Une nouvelle approche "empile" les gènes pour une transformation plus rapide des plantes

9 juin 2023

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par Stephanie Seay, Laboratoire national d'Oak Ridge

Dans une découverte visant à accélérer le développement de cultures à processus avantageux pour les biocarburants à réaction, les scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont développé la capacité d'insérer plusieurs gènes dans les plantes en une seule étape.

"Alors que nous essayons d'atteindre l'objectif d'une industrie aéronautique sans carbone d'ici 2050 avec des carburants durables, les défis sont énormes, techniquement, économiquement et biologiquement", a déclaré Jerry Tuskan, directeur général du Center for Bioenergy Innovation, dirigé par l'ORNL, ou CBI, qui a dirigé la recherche. "Avoir la possibilité de tester plusieurs gènes simultanément accélérera ce processus et augmentera la probabilité que nous atteindrons l'objectif national de remplacer 100% du carburant d'aviation à base de pétrole d'ici 2050."

La technique de transformation des plantes, connue sous le nom d'empilement de gènes, remplace la méthode laborieuse consistant à insérer un gène à la fois dans l'ADN d'une plante ciblée, puis à séquencer la plante pour s'assurer que les gènes sont au bon endroit et ont la bonne orientation pour déclencher le traits physiques recherchés.

Les gènes ne fonctionnent pas dans le vide. Les traits complexes recherchés par les chercheurs, tels qu'une croissance plus rapide et une tolérance à la sécheresse, sont souvent contrôlés par plusieurs gènes. Le génie génétique traditionnel consiste à ajouter un gène et sa machinerie biochimique associée aux plantes, à prouver qu'il fonctionne, puis à prendre ce matériel végétal et à le transformer une deuxième fois avec un autre gène et à prouver que cela fonctionne, puis un troisième gène et ainsi de suite, dans un complexe, processus chronophage.

"C'est beaucoup plus efficace si vous pouvez faire tout cela en une seule transformation", a déclaré Tuskan, qui a également collaboré à la recherche.

Les scientifiques de l'ORNL ont créé une nouvelle méthode d'administration en utilisant des segments de protéines appelés intéines qui ont la capacité naturelle de se séparer de protéines plus grosses, puis de se ré-épisser pour créer de nouvelles protéines. Les chercheurs ont utilisé les intéines pour créer un système de marqueurs sélectionnables divisés qui insérait simultanément quatre gènes dans les plantes, y compris des gènes qui "marquent" ou identifient les cellules transformées, soutiennent leur stabilité et rendent les modifications détectables par les biocapteurs.

La technique, décrite dans Communications Biology, a été démontrée sur le tabac, la plante modèle Arabidopsis thaliana et le peuplier comme matière première de la biomasse.

Les hybrides résultants ont été examinés à l'aide de biocapteurs basés sur la lumière développés par l'ORNL qui ont indiqué que les nouveaux gènes étaient intégrés dans la plante. Les résultats ont été confirmés en examinant l'ADN de la plante.

Le projet "est le résultat d'années de recherche au CBI consacrées à la création de matières premières bioénergétiques robustes qui poussent dans des conditions moins qu'idéales", a déclaré Xiaohan Yang, responsable du projet ORNL. "Nous voulons empiler des traits dans le peuplier qui rendent l'arbre économiquement viable à cultiver et à transformer en carburéacteur." La nouvelle capacité d'empilement de gènes est facilement mise en œuvre dans les pipelines de transformation de plantes existants tout en permettant des résultats beaucoup plus rapides, a déclaré Yang.

Dans le cadre de sa mission de développement d'une matière première non alimentaire durable pour le carburant d'aviation propre, CBI a identifié des gènes qui contrôlent les caractéristiques des plantes comme un rendement plus élevé, la composition de la biomasse qui se prête à être plus facilement transformée en biocarburants et la tolérance à la sécheresse.

Yang et ses collègues ont commencé à travailler sur une itération de la technique pour insérer 12 gènes à la fois, 10 liés aux fonctions biologiques du peuplier et deux marqueurs. Yang a déclaré qu'il était possible que la technique puisse être affinée pour prendre en charge l'empilement de jusqu'à 20 gènes.

"Nous avons démontré que nous pouvons appliquer ces nouvelles méthodes pour construire des constructions d'usines d'une manière prévisible et plus efficace qui nécessite moins de validation et de tests en aval", a déclaré Tuskan. La nouvelle capacité "va au-delà d'une amélioration progressive de la technologie actuelle et est l'aboutissement d'un grand nombre d'efforts, représentant une avancée significative dans notre capacité à transformer les plantes".

Plus d'information: Guoliang Yuan et al, Les systèmes de marqueurs sélectionnables fractionnés utilisant des intéines facilitent l'empilement de gènes dans les plantes, Communications Biology (2023). DOI : 10.1038/s42003-023-04950-8

Informations sur la revue :Biologie des communications

Fourni par le laboratoire national d'Oak Ridge